本發(fā)明涉及一套便攜式的可拆卸水陸兩用光譜探測(cè)系統(tǒng)裝置，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間序列地表或水體的光譜數(shù)據(jù)采集，可以在分析不同時(shí)刻地表或者水體的反射率測(cè)量以及土壤成分反演等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

背景技術(shù)：

地表反射率是氣象、農(nóng)業(yè)和水文科學(xué)應(yīng)用非常廣泛的重要參數(shù)，也是研究地表-大氣-衛(wèi)星傳感器三者相互關(guān)系的關(guān)鍵性因子。為了獲取該參數(shù)，傳統(tǒng)的大氣校正方法主要采用輻射傳輸模型，原理復(fù)雜且需要較為詳細(xì)的大氣資料，其中有些參數(shù)特別是實(shí)時(shí)的大氣剖面資料難以獲??；另一種方法是基于灰體理論的大氣糾正方法，但所得到的結(jié)果與實(shí)際地表的反射率誤差較大。因此，探索簡(jiǎn)便，可靠的大氣校正方法一直是困擾遙感研究的難題。

遙感數(shù)據(jù)是不連續(xù)波段光譜輻射能量的反映。從不連續(xù)的單波段反射率估算可見(jiàn)光到中紅外連續(xù)光譜范圍的反照率，一般是對(duì)不同波段反射率賦予不同的權(quán)重進(jìn)行組合。其中以TM為例，波段組合又有兩種方式，一種方法是先對(duì)地表覆蓋進(jìn)行大致分類，然后利用2,4,7波段組合得到反照率，另一種方法是采用可見(jiàn)光到中紅外所有六個(gè)波段的組合獲得連續(xù)的可見(jiàn)光到中紅外波段的反照率。

目前，水體光譜的獲取主要采取走航式測(cè)量法，即乘船到達(dá)待測(cè)量的水體區(qū)域，并在船上光譜儀測(cè)取船體周圍水域的光譜。但是，該測(cè)量方式需要人員實(shí)時(shí)攜帶光譜儀，并在設(shè)定時(shí)刻乘船到達(dá)設(shè)定區(qū)域，對(duì)人員和輔助設(shè)備的依賴較高，且無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)采集的需求；同時(shí)船體和測(cè)量人員發(fā)射的紅外輻射以及船體對(duì)水面平衡的破壞均會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)無(wú)法估量的誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種便攜式可拆卸水陸兩用光譜探測(cè)平臺(tái)及其探測(cè)方法，用以克服現(xiàn)有技術(shù)對(duì)測(cè)量員和輔助設(shè)備的依賴性及測(cè)量誤差較大的問(wèn)題，能夠?qū)崟r(shí)地、無(wú)依賴地和少干擾地觀測(cè)地表或者水體在不同時(shí)刻不同條件下的光譜成分，測(cè)量誤差小，且具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于一體，具備自動(dòng)化的數(shù)據(jù)觀測(cè)功能。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的一種便攜式可拆卸水陸兩用光譜探測(cè)裝置，包括漂浮平臺(tái)，所述漂浮平臺(tái)上通過(guò)垂直固定裝置固定有光譜探測(cè)儀；所述漂浮平臺(tái)包括頂座、底座以及連接在頂座與底座之間的PVC連接管；所述頂座和底座均分別為由90度PVC彎頭連接的四根PVC管構(gòu)成的正方形框架，所述頂座的四根PVC管的長(zhǎng)度小于所述底座的四根PVC管的長(zhǎng)度，所述底座上的四根PVC管的兩端均設(shè)有可拆卸的充氣水袖；所述垂直固定裝置包括固定在所述頂座的正方形框架上、且與該正方形框架一組對(duì)邊平行的兩根第一PVC固定桿，在該組對(duì)邊上設(shè)有兩組立柱，兩組立柱的頂端連接有兩根與該組對(duì)邊垂直的第二PVC固定桿，兩根第一PVC固定桿和兩根第二固定桿的水平投影構(gòu)成一井字；所述光譜探測(cè)儀放置于由兩個(gè)第一PVC固定桿和兩根第二PVC固定桿內(nèi)側(cè)限定的空間內(nèi)；所述光譜探測(cè)儀與所述第一PVC固定桿之間、所述光譜探測(cè)儀與第二PVC固定桿之間均墊有海綿，并由綁帶固定。

本發(fā)明便攜式可拆卸水陸兩用光譜探測(cè)裝置，其中，所述頂座上的四根PVC管的長(zhǎng)度為0.35m，所述底座上的四根PVC管的長(zhǎng)度為1.35m。所述頂座與所述底座之間的距離為1m。所述頂座與所述底座之間的PVC連接管有四根，每根PVC連接管的兩端分別連接在所述頂座上與所述底座上位置一一對(duì)應(yīng)的兩個(gè)90度PVC彎頭上。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明輕便、便攜，拆卸和組裝簡(jiǎn)單，非常適合于野外測(cè)量，同時(shí)還能水陸兩用，滿足不同的測(cè)量需求；

(2)本發(fā)明能夠?qū)崟r(shí)獲取地表或水體面光譜數(shù)據(jù)，同時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)受環(huán)境因素的干擾較少；

(3)本發(fā)明不需外部電力供應(yīng)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于一體，具備自動(dòng)化的數(shù)據(jù)觀測(cè)功能。

(4)測(cè)量真實(shí)的地物或水體光譜數(shù)據(jù)，可作為各種陸面模型的輸入進(jìn)行地表系統(tǒng)研究，也可對(duì)遙感反演的像元尺度地表參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)可為認(rèn)知地物的物理化學(xué)特性提供參考，為遙感反演地表參數(shù)算法的驗(yàn)證開(kāi)辟新的思路。

附圖說(shuō)明

圖1為具有本發(fā)明光譜探測(cè)裝置的便攜式野外定標(biāo)及水面溫度驗(yàn)證系統(tǒng)框圖；

圖2是本發(fā)明便攜式可拆卸水陸兩用光譜探測(cè)裝置中漂浮平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明便攜式可拆卸水陸兩用光譜探測(cè)裝置中垂直固定裝置的主視圖；

圖4是圖3所示垂直固定裝置的側(cè)視圖；

圖5是圖3所示垂直固定裝置的俯視圖。

圖中：

10-漂浮平臺(tái) 20-垂直固定裝置 3-光譜探測(cè)儀 11-頂座

12-底座 13-PVC連接管 14-90度PVC彎頭 15-PVC管

16-充氣水袖 21-PVC支撐管 22-PVC管卡 23-綁帶

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述，所描述的具體實(shí)施例僅對(duì)本發(fā)明進(jìn)行解釋說(shuō)明，并不用以限制本發(fā)明。

本發(fā)明提出的一種便攜式可拆卸水陸兩用光譜探測(cè)裝置，包括漂浮平臺(tái)10，所述漂浮平臺(tái)10上通過(guò)垂直固定裝置20固定有光譜探測(cè)儀30。

如圖2所示，所述漂浮平臺(tái)10提供整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的浮力，通過(guò)PVC管和充氣水袖搭建一個(gè)穩(wěn)定的儀器搭載平臺(tái)；所述漂浮平臺(tái)10包括頂座11、底座12以及連接在頂座11與底座12之間的PVC連接管13，其中，頂座11為光譜探測(cè)儀提供一個(gè)搭載面，底座12提供恢復(fù)力矩用以抵消水面波動(dòng)和風(fēng)產(chǎn)生的干擾力矩，頂座11與底座12之間的PVC連接管13使整個(gè)裝置連成一體；所述頂座11和底座12均分別為由90度PVC彎頭14連接的四根PVC管15構(gòu)成的正方形框架，所述頂座11的四根PVC管的長(zhǎng)度小于所述底座12的四根PVC管的長(zhǎng)度，所述頂座上11的四根PVC管的長(zhǎng)度為0.35m，所述底座12上的四根PVC管15的長(zhǎng)度為1.35m。所述頂座11與所述底座12之間的PVC連接管13有四根，每根PVC連接管13的兩端分別連接在所述頂座上與所述底座12上位置一一對(duì)應(yīng)的兩個(gè)90度PVC彎頭14上。所述頂座11與所述底座12之間的距離為1m。所述底座12上的四根PVC管15的兩端均設(shè)有可拆卸的充氣水袖16，即在正方形底座靠近四角處各固定兩個(gè)充氣水袖用以提供水面上的浮力。

如圖2所示，所述漂浮平臺(tái)10的實(shí)施例：其中的所述頂座11為一邊長(zhǎng)約為35厘米的正方形框架，以滿足儀器探測(cè)的高度。包括四根直徑為30毫米、壁厚為2毫米、長(zhǎng)為30厘米的PVC管，相鄰的兩根PVC管之間的由直徑為30毫米、壁厚為2毫米的90度PVC彎頭連接。

所述底座12為一邊長(zhǎng)約為135厘米的正方形框架，以滿足光譜探測(cè)范圍的要求，同時(shí)邊長(zhǎng)為135厘米的正方形能夠提供足夠的恢復(fù)力矩，以減少風(fēng)和波浪等外界干擾對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定性的破壞。所述底座12包括直徑為30毫米、壁厚為2毫米、長(zhǎng)為130厘米的PVC管，相鄰的兩根PVC管之間由直徑為30毫米、壁厚為2毫米的90度PVC彎頭連接。

所述正方形頂座和正方形底座之間的連接采用在90度PVC彎頭上打孔的方式，在保證抗拉強(qiáng)度的前提下，易于組裝和卸載。即將正方形頂座和底座中的90度PVC彎頭上各鉆一個(gè)直徑為25毫米的孔，所述漂浮平臺(tái)10的高為1米，以保證光譜探測(cè)器與水面或者地表的觀測(cè)距離為100厘米，而連接在頂座11和底座12之間的PVC連接管的軸線呈向外凸起的曲線，因此，用直徑25毫米，壁厚為2毫米、長(zhǎng)度約為1.22米的PVC管的兩端插入頂座和底座位置對(duì)應(yīng)的90度PVC彎頭的孔中，將正方形頂座和正方形底座連接成整體。當(dāng)探測(cè)水體光譜時(shí)，用軟繩將八個(gè)充氣水袖分別固定于底座的PVC管的兩端(即靠近正方形底座的四角處)。

如圖3和圖4所示，所述垂直固定裝置20負(fù)責(zé)保持儀器的垂直穩(wěn)定，使得固定在其上的光譜探測(cè)儀30完成地表或者水體中物質(zhì)光譜的的垂直探測(cè)，所述垂直固定裝置20包括固定在所述頂座11的正方形框架上、且與該正方形框架一組對(duì)邊平行的兩根第一PVC固定桿21，在該組對(duì)邊上設(shè)有兩組立柱，兩組立柱的頂端連接有兩根與該組對(duì)邊垂直的第二PVC固定桿22，兩根第一PVC固定桿21和兩根第二固定桿22的水平投影構(gòu)成一井字，如圖5所示；所述光譜探測(cè)儀30放置于由兩個(gè)第一PVC固定桿21和兩根第二PVC固定桿22內(nèi)側(cè)限定的空間內(nèi)，即所述光譜探測(cè)儀30放置在頂座11的中心處，并且保持光譜探測(cè)儀30垂直于水面，使光譜探測(cè)儀30垂直探測(cè)，所述光譜探測(cè)儀30與所述第一PVC固定桿21之間、所述光譜探測(cè)儀30與第二PVC固定桿22之間均墊有海綿，并由綁帶23固定，用于防止光譜探測(cè)儀30掉落以及由于漂浮平臺(tái)的晃動(dòng)所產(chǎn)生的光譜探測(cè)儀30的晃動(dòng)。

如圖1所示，利用本發(fā)明便攜式可拆卸水陸兩用光譜探測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)地表物質(zhì)光譜探測(cè)及水體光譜探測(cè)的過(guò)程如下：

一、地表物質(zhì)光譜探測(cè)，包括：

1-1)根據(jù)光譜探測(cè)儀采集到的光譜數(shù)據(jù)，求出大氣輻射能量L_p(c)：

L_p(c)＝L_r(c)+L_a(c) (1)

式(1)中，L_r(c)和L_a(c)分別代表瑞利散射能量和氣溶膠散射能量；

瑞利散射能量和氣溶膠散射能量這兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算過(guò)程如下：

對(duì)所選取的暗像元，假設(shè)光譜探測(cè)裝置僅接收到大氣輻射能量,即

L_o^*(c)≈L_p^*(c) (2)

式(2)中,*號(hào)代表選取的暗像元，瑞利散射能量通過(guò)Sturm的內(nèi)插方法,得到臭氧光學(xué)厚度toz(c)后,利用DEM(Digital Elevation Model)計(jì)算出探測(cè)區(qū)域內(nèi)各像元分子光學(xué)厚度tr(c,h),再參照經(jīng)典計(jì)算公式,得到所選取的暗像元的瑞利散射能量L_r^*(c),最后按照公式(3),計(jì)算出所選暗像元的氣溶膠散射能量L_a(c)；

氣溶膠散射能量與氣溶膠散射波長(zhǎng)的關(guān)系如下：

L_a(c)＝M×c^-N (3)

式(3)中,M和N分別是影像攝取時(shí)的大氣氣溶膠分布狀況的兩個(gè)基本參數(shù)，對(duì)一幅影像而言,M和N是不變的；由于可以得到1,3兩個(gè)波段的L_a^*(c)值,就可以解出M、N這兩個(gè)重要的大氣參數(shù)。這樣,通過(guò)在圖像中選取合適的暗像元,便可得到瑞利散射能量L_r(c)和氣溶膠的散射能量L_a(c),以及整個(gè)大氣輻射能量L_p(c)。

1-2)地表接收的總能量的計(jì)算：

地表接收總能量按照式(4)計(jì)算

E_g(c)＝E_b(c)+E_d(c) (4)

式(4)中，E_b(c)和E_d(c)分別代表太陽(yáng)直接輻照度和大氣散射輻照度。這兩個(gè)參數(shù)可以直接由衛(wèi)星資料估算出來(lái)。

1-3)最后，根據(jù)式(5)可以求得地表的反射率

R_g(c)＝{K^*[L_o(c)-L_p(c)]÷[E_g(c)*T_u(c)*cosZ₀]} (5)

式(5)中,R_g(c)為中心波長(zhǎng)為c的TM波段地表的反射率,K為衛(wèi)星成像時(shí)日地距離,T_u(c)為大氣向上透過(guò)率,Z₀為太陽(yáng)天頂角。L_o(c)為傳感器接收的輻射能量,L_p(c)為大氣輻射能量,E_g(c)為地面接收的總能量,這幾個(gè)參數(shù)分別由以上步驟得到。

二、水體光譜探測(cè)，包括：

2-1)利用所探測(cè)到的光譜數(shù)據(jù)求出離水輻亮度L_w

按照上述步驟1-1)至1-3),在避開(kāi)太陽(yáng)直射反射、忽略或避開(kāi)水面泡沫的情況下,光譜探測(cè)儀測(cè)量的水體水面輻亮度如式(6)所示

L_w＝L_sw-rL_sky (6)

式(6)中，L_w為離水輻亮度；L_sky天空漫散射光，不帶有任何水體信息，必須去掉；r為氣—水界面對(duì)天空光的反射率，取值為2.1％-5％，取決于太陽(yáng)位置、觀測(cè)幾何、風(fēng)速、風(fēng)向或海面粗糙度等因素。

2-2)利用標(biāo)準(zhǔn)板(Plaque)求出總輻照度E_d(0⁺)

E_d(0⁺)為水面入射總輻照度，可由測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)板(Plaque)的反射而得

L_p＝ρ_p*E_d(0⁺)/π (7)

式(7)中，L_p為標(biāo)準(zhǔn)灰板的測(cè)量值；ρ_p為標(biāo)準(zhǔn)板的反射率，一般采用10％≤ρ_p≤30％的標(biāo)準(zhǔn)板，以便使得儀器在觀測(cè)水體和標(biāo)準(zhǔn)板時(shí)工作在同一狀態(tài)。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中選用的是30％的標(biāo)準(zhǔn)板。

2-3)根據(jù)式(8)求出遙感反射率

Rrs＝Lw/E_d(0⁺) (8)

在進(jìn)行水體光譜測(cè)量時(shí)要求天氣晴朗，能見(jiàn)度好，風(fēng)速小。測(cè)定時(shí)，為避免噪聲干擾，每個(gè)樣本需重復(fù)測(cè)量10次以上，處理時(shí)取平均值作為樣本的最終光譜。對(duì)于一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)需要測(cè)量天空光sky，灰板gray、遮擋灰板cgray、水體w、水體反射率wr5個(gè)指標(biāo)。

本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。